Academia Mexicana de Ingeniería MEXICO
Coloquio de Especialidades 2009
Prospectiva de la Ingeniería Química
Enrique Aguilar Rodríguez 22 de Octubre de 2009
Contenido
El Origen y el Pasado El Presente Los Retos y el Futuro Hacia la Sustentabilidad
MEXICO
Contenido
El Origen y el Pasado El Presente Los Retos y el Futuro Hacia la Sustentabilidad
MEXICO
El Nacimiento de las Ingenierías Fundamentales MEXICO
Ing. Aeronáutica
Ing. Química Ing. Eléctrica y Electrónica
Aviación por los Hermanos Wright, EUA
Máquinas a combustible y Automóvil en serie, Inglaterra y EUA
Después de los trabajos sobre electricidad por Edison en Estados Unidos Ing. Mecánica Máquina de Vapor por James Watt, Escocia Ing. Civil Escuela de Puentes y Caminos, Francia
Los Antecedentes de la Ingeniería Química MEXICO
CALOR
MAQUINA
MOVIMIENTO
1825
Carbón
LA MAQUINA DE VAPOR Combustión
Gasolina y Diesel
1876
EL MOTOR A COMBUSTIBLE
MEXICO
La Ingeniería (Mecánica y Eléctrica) del Siglo XIX NO tenía respuestas para: •
Cómo identificar los componentes del petróleo, sus propiedades y su comportamiento
•
Cómo procesar el petróleo a grandes volúmenes y en forma continua
•
Cómo diseñar los equipos de proceso cuando hay transformaciones químicas
Surge una nueva Especialidad: La Ingeniería Química 1888
¿Qué es Ingeniería Química? MEXICO
La definición que aparece actualmente en la Constitución del Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE), actualizada en 2003, y que es aceptada universalmente, es:
Ingeniería Química es la profesión en la cual el conocimiento de la matemáticas, la química y otras ciencias básicas, obtenido por el estudio, la experiencia y la práctica, es aplicado con juicio para desarrollar rutas económicas en el uso de los materiales y la energía, para beneficio de la humanidad.
Los Albores de la Ingeniería Química MEXICO
Quizá el primer evento en que se concibe un proceso químico industrial sea la producción de ácido sulfúrico en 1729. El 1er. Proceso industrial es el proceso LeBlanc para producción de detergentes. Con la Revolución Francesa en 1789, surgen las demandas de igualdad, que en términos prácticos significa dignificar la vida humana y aparece entonces la necesidad de sustituir la “fuerza bruta” del hombre por máquinas, que se desarrollan rápidamente. No es casual que en 1824, Carnot publica su gran obra Reflexions sur la puissance motrice du feu que sienta las bases teóricas de los ciclos termodinámicos y la segunda ley, que son el fundamento del desarrollo de las máquinas de vapor y los motores a combustible y prepara las bases de lo que será más tarde la termodinámica, cimiento fundamental de la futura ingeniería química.
Sadi Carnot
En 1835, Berzelius publica su Teoría General sobre la Catálisis, que será el primer paso para estudiar las reacciones químicas desde un punto de vista causaefecto. Jacob Berzelius
El nacimiento de la Ingenieria Quimica MEXICO
En 1887 George E. Davis, un inspector de plantas industriales, y considerado el padre de la Ingeniería Química, ofrece 12 cursos sobre “la operación de los procesos químicos” y convoca a la formación de una nueva profesión: la Ingeniería Química, en la Universidad de Manchester, Inglaterra, en 1888. En 1901 escribe el “Handbook of Chemical Engineering” considerado como el primer texto de la profesión. En 1888 Lewis M. Norton ofrece el primer programa de cursos de “Ingenieria Quimica”, de 4 años, en el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) EUA. El año de 1888 es considerado universalmente como el de la fundación de la Ingeniería Química.
Universidad de Manchester, Inglaterra
Instituto Tecnológico de Massachussets.
Lewis M. Norton (1855-1893) George E. Davis (1850-1906)
La consolidación de la profesión y las Operaciones Unitarias MEXICO
Operaciones Unitarias
“Cualquier proceso químico, a cualquier escala, puede ser comprendido a través de una serie de lo que podemos llamar Operaciones Unitarias, como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación y otras. El número de Operaciones Unitarias no es muy grande y relativamente pocas de ellas se encuentran en un proceso particular”
Arthur D. Little en el MIT
Arthur D. Little, MIT, 1915 “la Ingeniería Química… no es una mezcla de química e ingeniería mecánica, sino una ciencia por sí misma, cuya base la conforman las Operaciones Unitarias, que en su propia secuencia y coordinación, constituyen un proceso químico, tal como se realiza a escala industrial”
1er. Anuncio solicitando Ingenieros Químicos para el Laboratorio de Arthur D. Little en el MIT en los Estados Unidos (1920)
El Objeto de la Ingeniería Química MEXICO
Sujeto Médico Ingeniero Químico
Objeto de Estudio El Cuerpo Humano La Planta Química
Propósito La Salud Generar productos en forma rentable y competitiva, con cumplimiento de restricciones de sustentabilidad
Las Funciones de la Ingeniería Química MEXICO
La Planta Química de Proceso
Administración
Ingeniería Económica y Finanzas
Preservación del Ambiente y la Seguridad
Sustentabilidad
Educación
Investigación
Tecnología e Innovación
Diseño: Ingeniería Básica
Diseño: Ingeniería de Detalle
Procura
Construcción
Operación y Mantenimiento
Escuelas de Ingeniería Química en México MEXICO En 1916, por Decreto Presidencial del entonces Presidente de la República, General Venustiano Carranza, se crea la Escuela Nacional de Industrias Químicas que en febrero de 1917 se incorpora a la UNAM ( hoy Facultad de Química). En 1941 se crea el Instituto de Química siendo la especialidad impartida fue Química Orgánica. En 1941 se inicia la carrera de Ingenieros Petroquímicos en la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura del IPN. ( ESIA ). EN 1948 nace la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas del IPN (ESIQIE) con las carreras de Ingeniería Química Industrial, Ingeniería Metalúrgica e Ingeniería Petroquímica. Hoy en día existen 164 escuelas en México que ofrecen la carrera, bajo diversas modalidades. En 1958 se crea en México el Instituto de Ingenieros Químicos (IMIQ), la institución que agrupa a los Ingenieros Químicos mexicanos.
Escuela Nacional de Industrias Químicas
Ingenieros Mexicanos que tienen reconocimiento en México y en el mundo MEXICO
Andrés Manuel del Río + Victoria de la Mora Vizcaíno +, 1ª. mujer Ing. Q. 1917 Estanislao Ramírez Ruiz +, Padre de la Ing. Química en México Maria Virginia Monfort González +, 1ª. Ced. Prof a una Mujer Ing.Q 1949 Agustina Solórzano Rojas 1ª. Egresada de la ESIQIE y pionera IMIQ Alberto Urbina del Raso +
Estanislao Ramirez Ruiz
Luis Ernesto Miramontes Cárdenas + Carlos López Mora + Mario Molina Enríquez (Premio Nobel de Química) Cesar Octavio Baptista Montes + Ernesto Domínguez Quiroga + Victoria de Mora Vizcaino
Mario Molina Enriquez y Luis Miramontes Cárdenas
Alberto Urbina del Raso Ernesto Domínguez Quiroga
Carlos López Mora
Agustina Solorzano Rojas
Empleo y Actividades Productivas MEXICO
DISTRIBUCION DEL EMPLEO EN LOS ESTADOS UNIDOS INGENIEROS QUIMICOS, 2008 3
4 Industria Química
5 2
28
4
Combustibles Electrónica Alimentos
4
Materiales Biotecnología Celulosa
13
Ingeniería IDT Ambiente 17
3
Negocios Otros
13
4
Empleo y Actividades Productivas MEXICO
DISTRIBUCION DEL EMPLEO EN MEXICO INGENIEROS QUIMICOS, 2008
Industria Química y Petrolera Comercio y Servicios Alimentos Metalurgia
?
Minería Construcción Vestido Transporte Electricidad Otros no Relacionados
Contenido
El Origen y el Pasado El Presente Los Retos y el Futuro Hacia la Sustentabilidad
MEXICO
Siglo XVII
La Evolución incesante Química industrial MEXICO Azufre
Acido Sulfúrico
Sal de Mar
Soda Ash (Detergentes)
Petróleo
1915
Gasolina
Operaciones Unitarias Reciclo Materias Primas
Productos
Agitación Mezclado etc.
1950
Separación
Subproductos
Efluentes
Destilación Catálisis Intercambio de Calor Extracción Absorción Combustión etc.
Ciencia de la Ingeniería Química Termodinámica •Equilibrio de Fases - Transferencia de Masa -Microestructuras
1975
Reacción
Preparación
Dinámica Fluídos
Fenómenos Transporte
Cinética
Catálisis Reactores Cinética Superficies
Control
Teoría Control Optimización
Computación Simulación Modelamiento CAD
La Evolución incesante, la Micro y la Macro Escala MEXICO
Año 1975
Sistemas de la Ingeniería Química
10+6
segundos
10+3
Operaciones Unitarias
100
10-3 catálisis
10-6
10-9
Año 2008+
Ambiente
Ingeniería Molecular y nano
10-12 10-12
10-9
Dinámica de Fluídos Termodinámica
Química de reacciones
Transporte cinética
10-6
10-3 metros
100
10+3
10+6
La Micro, Meso y Macro Escala MEXICO
Operaciones Unitarias
catálisis
Ingeniería Molecular y nano
10-12
10-9
Ambiente
Química de reacciones
Transporte cinética
10-6
10-3 metros
100
10+3
10+6
Las 10 Contribuciones más relevantes de la Ingeniería Química a la Humanidad MEXICO
1 Las separación de los átomos y sus isótopos
La producción de polímeros plásticos
3 El conocimiento de las funciones del cuerpo humano y elaboración de herramientas y órganos artificiales
La producción masiva y económica de antibióticos
La producción de fibras y telas sintéticas
La producción de oxígeno puro y otros compuestos del aire
5
7 Los procesos y sistemas para el cuidado del ambiente
Los fertilizantes y el procesamiento de alimentos
9 Producción de combustibles y petroquímicos a partir del petróleo y el gas natural
La producción de hules sintéticos
2
4
6
8
10
Contenido
El Origen y el Pasado El Presente Los Retos y el Futuro Hacia la Sustentabilidad
MEXICO
Cómo han evolucionado los Paradigmas impulsores de la Ingeniería Química MEXICO
Mínimas Restricciones
Producir Combustibles y Productos Químicos
Restricciones Económicas
Optimizar la Rentabilidad de los Procesos
Procesar y Controlar las emisiones Establecer Productos y Procesos que aseguren la Sustentabilidad de la Industria
Restricciones Ambientales
Restricciones para la Sustentabilidad
En sus inicios, la preocupación de la profesión era producir productos nuevos y combustibles (fines del siglo XIX).
Más tarde surgió la necesidad de eficientar los procesos a fin de producirlos a gran escala y con mayores utilidades (Primera mitad del siglo XX)
A partir de la segunda mitad del siglo XX surgen las preocupaciones ambientales que generan restricciones para los procesos y productos de la industria química
Hoy en día, el paradigma de la Sustentabilidad del planeta es una restricción central en la producción de energía y productos químicos, que está revolucionando el enfoque de la profesión
El futuro de la Ingeniería Química (7º. Congreso Mundial de Ingeniería Química, 2005) MEXICO
LAS AREAS DE TRABAJO MÁS RELEVANTES PARA EL INGENIERO QUIMICO DEL SIGLO XXI SUSTENTABILIDAD
SALUD, SEGURIDAD Y MEDIO AMBIENTE
ENERGIA, ALIMENTOS Y AGUA
BIOPROCESOS E INGENIERIA DE BIOSISTEMAS
• Tecnologías de Conversión de Energía y Utilización de Fuentes Alternas
• Tecnología Química Sustentable
• Procesos Ambientales
• Procesos Químicos Sustentables
• Prevención de Pérdidas
• Productos Químicos Limpios
• Modelos de Riesgo • Procesamiento de y Seguridad Alimentos y Bebidas
• Manejo y Tratamiento de Agua
• Ingeniería Bioquímica • Fármacos • Toxicología
Crecimiento de la Población Mundial 1750–2150 MEXICO
Población en miles MM 2025
10 8 2000 6100 Millones
6
PaÍses menos desarrollados
1975 4 2
Se duplica
Fuente: United Nations, World Population Prospects, The 2005 Revision; y estimaciones del Population Reference Bureau, 2005
2150
2100
2050
2000
1950
1900
1850
Paises más desarrollados
1800
1750
0
Existencia de Vehículos a nivel Mundial* MEXICO
1000
Mundial Estados Unidos
Millones
800 600 400 200
Año 1930
1950
1980
1996
2020
2002
MM Ton Carbono (C) 7,000 6,000
Evolución de las Emisiones Mundiales de CO2 1751 – 2000 **
5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0
** Fuente: Carbon Dioxide Information Analysis Center (CIDAC), httpp://cdiac.esd.ornl.gov/trends/trends.htm * Fuente: Aguilar E., Rev. IMIQ, Vol 1-2, pp.5-12, 2002
1751 1771 1791 1811 1831 1851 1871 1891 1911 1931 1951 1971 1991
La Prospectiva del Pico del Petróleo MEXICO
Contenido
El Origen y el Pasado El Presente Los Retos y el Futuro Hacia la Sustentabilidad
MEXICO
La Industria Química ante el desequilibrio natural MEXICO
• La industria química ha generado dos tipos de productos “no naturales”: – Productos Químicos Sintéticos (plásticos, hules, fibras) – Energía Térmica con generación de gases de combustión (CO2, SOx,NOx, etc.) … que probablemente han roto el equilibrio de los ciclos geobioquímicos
El Concepto de Sustentabilidad MEXICO
Es una trayectoria y forma de vida que se sigue para permitir a la humanidad llenar sus necesidades de salud, ambientales, sociales y económicas, sin comprometer el progreso de las futuras generaciones
AIChE
“La Sustentabilidad es un camino de mejora continua, por el cual los productos y servicios requeridos por la sociedad, se producen y entregan cada vez con menos impacto negativo para la Tierra”
Los 8 Grandes Retos de la Ingeniería Química para la Sustentabilidad Ingeniería y Química “verde”
1 8
ná ic lis lo is s d de e Vi los da
2
7
E En fici er en g é ci tic a a
3
4
6 5 Combustibles Renovables
as ir m P s es ir a abl e v at no M e R
Toxicología
Separación, Captura y Uso delCO2
ab nt e n ó t ci us a S uc la d a E ar p
A
C
ad li id
MEXICO
Una Visión de Largo Plazo para la Sustentabilidad Paradigmas Actuales
MEXICO
Gran Visión de Futuro Predominancia de combustibles fósiles
Combustibles Fósiles
Declinación de combustibles fósiles
Retos Procesos intensivos en consumo de energía
Reducir la intensidad energética Manejo adecuado del carbón
Procesos generadores de efluentes indeseables
Desarrollo de la cultura de Sustentabilidad
Conocimiento y aplicación de los Ciclos de Vida Cargas químicas renovables Química e ingeniería “verde”
Energía renovable
Cero emisiones
Combustibles renovables
Ignorancia de los sistemas vivos
Efectos Toxicológicos
2006
Materias primas renovables
2025
Conocimiento y respeto a los sistemas vivos
2100
Año
Una estructura para la enseñanza de la Ingeniería Química MEXICO
Sustentabilidad
Química
Bioquímica
Química e Ingeniería Verde Toxicología
Flujo de Fluidos
Termodinámica y Balance de Materia y Energía
Transferencia de Calor
Recursos Naturales Ciclos de Vida
Ingeniería de Reactores Procesos de Separación
Ingeniería Económica
Energía y Combustibles
Diseño y Operación Industrial Sustentable
Procesamiento de Efluentes
Ingeniería de Procesos Ingeniería de Productos
Innovación Tecnológica
Optimización Generación de Valor
MEXICO
La Ingeniería Química seguirá contribuyendo para que las nuevas generaciones de la humanidad alcanzen la Utopía: lograr un mundo feliz, en paz y próspero; cuando todos los seres humanos obtengan los beneficios de la ciencia, la tecnología y la cultura y aprendan el valor y el gozo de la vida, cuando sean capaces de hacer una distribución equitativa y justa de los recursos naturales y del conocimiento, en comunión y con respeto a la naturaleza que, en su gran diversidad, ha dado cobijo a las generaciones anteriores. Enrique Aguilar Rodríguez
MEXICO
[email protected]
Gracias…
